В данном случае приходится иметь дело с тремя теплоносителями: радиоактивным жидким металлом (обычно натрием), омывающим твэлы и забирающим от них тепло; менее радиоактивным (но все-таки еще радиоактивным) жидким металлом, являющимся промежуточным теплоносителем между жидким металлом первого контура и водой, нагревающейся и превращающейся в пар в парогенераторе (см. рис. 53). Вода — третий по-порядку теплоноситель — практически нерадиоактивна.
Остальная часть схемы за пределами контура обычна для ТЭС и АЭС.
Есть основания полагать, что АЭС с реакторами на быстрых нейтронах найдут широкое использование в ближайшие годы.
В Советском Союзе атомная наука и энергетика развиваются успешно, высокими темпами. Большая заслуга в этом принадлежит Игорю Васильевичу Курчатову (1902–1960), Анатолию Петровичу Александрову (р. 1903) и многим другим советским ученым и инженерам.
Теперь необходимо остановиться на имеющихся на Земле энергетических ресурсах, прежде всего па ресурсах органического топлива — угля, нефти, природного газа, горючих сланцев. Естественно возникает вопрос: надолго ли этих ресурсов хватит человечеству? Для того чтобы ответить на него, надо знать ресурсы топлива на Земле и годичное потребление его всеми странами мира.
Большинство специалистов, оценивая общие прогнозные запасы органического топлива на Земле, называет цифру, близкую к 1013 т у. т., т. е. 10 трлн, т у. т., причем доля угля и горючих сланцев, вместе взятых, составляет более 80 %. Но оказывается, что не все эти запасы могут быть извлечены из земных или морских глубин. Коэффициент извлечения зависит от вида топлива, характера месторождения и техники добычи: для нефти он в пределах 30–40 %, для природного газа 80 %, для угля и сланцев около 50 %. Такое низкое значение коэффициента извлечения для угля принято потому, что среди его месторождений имеется много тонких пластов, лежащих глубоко под землей.
Специалистами принят средний коэффициент извлечения 0,5. Другими словами, вместо общего прогнозного запаса органического топлива 1013 т у.т. нужно рассматривать общие прогнозные извлекаемые запасы топлив 51012 т у. т.
Что касается потребления органического топлива всеми странами мира в год, ответ дает статистика: известно, что эта цифра составляет около 10 млрд, т у. т/год. Но потребление органического топлива с каждым годом растет, необходим прогноз потребления, например, на 2000 г. Эта задача оказывается труднее. Лет 10 назад предполагалось, что потребление органического топлива всеми странами мира будет составлять 15–20 млрд, т у.т./ /год. За последние 2–3 года произошли существенные изменения: многие специалисты считают, что на уровне 2000 г. надо ожидать, что мировая потребность составит 13–17 млрд, т у. т./год, а далее, возможно, будет снижаться вследствие все большего использования атомной и других видов энергии.
Будем считать, что в 2000 г. человечество израсходует только органического топлива 20 млрд, т у.т. Мы, вероятно, скорее завысили, нем занизили, эту цифру. Считая эту цифру стабильной на последующий за 2000 г. период, получим, что человечеству хватит органического топлива на
5·1012/20·109 = 250 лет.
Конечно, по многим причинам, и прежде всего потому, что очень трудно (и, скорее всего, невозможно) представить себе, как будет выглядеть техника после 2000 г. (вспомним, что в 1940 г. никто не представлял себе возможности освобождения и использования ядерной энергии, создания ЭВМ с огромным быстродействием или создания и использования лазерного луча), приведенные расчеты являются сугубо ориентировочными.
Коротко о ресурсах ядерного топлива. Поскольку торий не нашел пока практического применения в ядерной энергетике, мы будем говорить только о ресурсах урана, хотя многие специалисты считают, что тория на Земле гораздо больше.
Уран широко распространен на Земле. Но концентрация, в которой он встречается в граните и других породах, а также в морской воде, очень невелика. Чем меньше содержание добываемою вещества в руде, тем, конечно, дороже получать это вещество. Поэтому, рассматривая вопрос о ресурсах урана, обычно выбирают допустимую цену за 1 кг природного металлического урана, имеющего обычный состав 235U 0,7 % и 238U 99,3 %. Расчеты (также, конечно, весьма ориентировочные) показывают: если используются АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, то по энергетическому эквиваленту запасы приемлемого по затратам на добычу урана приблизительно равны запасам всех видов органического топлива, вместе взятых. Если же используются реакторы на быстрых нейтронах, то запасы урана можно считать практически неограниченными.
Так обстоит дело с перспективными извлекаемыми органическими и ядерными энергетическими ресурсами.
Однако экономия энергоресурсов и электрической энергии является вопросом первостепенной важности. Следует помнить, что двигатели морских и речных судов, автомобилей, тепловозов и самолетов пока что не могут обойтись без жидкого моторного топлива (бензина, керосина, дизельного и газотурбинного топлива), которое является продуктом переработки нефти. Меры по экономии топлива в первую очередь относятся к природному газу и особенно нефти. За последнее время все более близким к экономически приемлемому решению как будто бы становится вопрос получения жидких моторных топлив из угля.
Об энергетике, ее сегодняшнем дне и дне завтрашнем, можно было бы сказать еще очень много, в частности о линиях электропередачи на переменном и постоянном токе, о вопросах экологии, связанных с энергетикой, об использовании восполняемых источников энергии, к которым, кроме энергии рек, относятся солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра, морских волн и морских приливов. Можно было бы также рассказать о новых методах преобразования энергии, в частности о магнитогидродинамическом методе (МГД-методе), который, можно предполагать, уже до 2000 г. получит относительно широкое распространение. Но обо всем в этой книге рассказать нет возможности. В заключение раздела мы только кратко остановимся на управляемой термоядерной реакции и создании термоядерного реактора.
Принцип действия термоядерного реактора, над созданием которого работают физики многих стран мира, имеет кое-что общее с принципом действия обычного атомного реактора. В обоих случаях основой являются ядерные реакции, обладающие огромным энерговыделением. 1 кг исходного для термоядерной реакции вещества энергетически эквивалентен 10 тыс. т у. т. Или: 1 г этого вещества энергетически эквивалентен 10 т у. т. Таким образом, энерговыделение в термоядерной реакции, отнесенное к единице массы исходного вещества, примерно в 3,5 раза больше по сравнению с ядерной реакцией деления 235U.
Отличие заключается в том; что термоядерная реакция есть реакция соединения (синтеза) ядер, а не их деления. Реакции деления ядер, сопровождаемые огромным энерговыделением, свойственны тяжелым элементам, обладающим большой атомной массой. Ядерные же реакции с большим выделением энергии, участниками которых являются легкие элементы с малой атомной массой, — это реакции синтеза ядер.
В реакции деления ядер делящееся вещество (уран, плутоний) является, как часто говорят физики, мишенью. Активная же роль принадлежит нейтронам — инициаторам ядерной реакции. В реакции синтеза ядер дело обстоит иначе. Ядерная реакция этого типа может осуществляться только в том случае, когда ядра атомов окажутся достаточно близко друг от друга, на расстоянии около одной миллиардной доли микрометра.
Сближению ядер атомов противостоят электростатические силы отталкивания (ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд), и, чтобы оно произошло, необходимо, чтобы взаимодействующие частицы обладали большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру, измеряемую многими десятками миллионов градусов. Именно по этой причине реакция синтеза ядер названа термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в так называемом плазменном состоянии. Плазма отличается от обычного газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра и оторванные от них свободные электроны.